AP1000機械補償控制策略

孫敬東

(山東核電有限公司,山東265116)

電能在電網中不可儲存,這就要求電廠的發電功率要根據電網對電能的需求隨時調整。核電廠發電功率的調節主要是通過對核電堆堆芯反應性的控制實現的,調節中必須采取有效的控制方式,在保證反應堆的安全運行的前提下輸出滿足用戶需求的功率負荷,特別是在異常情況下,要求控制系統能夠保證核電廠迅速安全地停堆。在核電廠的運行中,如果功率分布的不均勻性嚴重超標,燃料棒在功率達到峰值時有可能破損,核電堆的安全性將受到嚴重影響。因此,核電廠的運行不但要求考慮燃耗、裂變產物積累、反應性溫度系數等引起的反應性變化,還要求在功率控制中保證堆芯安全,保證燃料棒的完整性。在目前的壓水堆的設計中,核功率的控制是通過改變堆芯中的中子密度和分布實現的,改變堆芯中的中子密度和分布的主要有三種方式,第一種方式通過控制棒在反應堆堆芯中的移動如插入或抽出,第二種方式通過化學和容積控制系統(CVS)調節反應堆冷卻劑中的硼濃度,第三種方式合理分布可燃毒物在堆芯中的布置,實現對反應堆功率和功率分布的控制。在目前運行較多的二代壓水堆中,反應性的控制以第二種方法為主,通過控制溶解在冷卻劑中的硼濃度進行化學補償控制,改變硼酸濃度以控制長期反應性變化,如燃耗和裂變產物積累引起的反應性變化;第一種方法的控制棒控制在二代壓水堆中只起輔助作用,用于反應堆啟動、跟蹤負荷變化以及控制微小的反應性瞬變和控制功率分布。圖1是典型的第二代壓水堆的k eff(有效增值系數)和控制方式。

圖1 keff和控制方式

圖中K ex是剩余增值系數,定義為K ex=k eff-1。因為第一循環的k eff為1.26,因此K ex=0.26Δk。從圖中可見,其中的0.08Δk是為了保證適當的堆芯停堆深度和額外的反應性進行的控制,0.08Δk為可燃毒物的控制,0.20Δk為硼酸溶液補償控制。

第二代壓水堆的三種控制方式所控制的反應性,化學補償分配到的反應性最大,這是因為硼濃度調節在堆芯中分布均勻,不會引起功率分布畸變,但化學補償控制方法也有一些缺點。首先化學補償控制調節堆功率的速度較慢,這是因為每次硼化或稀釋后冷卻劑需要一定時間才能混合,因此單獨采用調節硼濃度方式往往不能滿足堆功率的快速升降;其次對慢化劑溫度系數有顯著的影響,因為當水的溫度升高密度減小體積增加時,溶液中的硼體積含量也相應減小、電堆的反應性增加,出現正的慢化劑溫度系數溫度越高反應性越強;再次對冷卻劑進行頻繁的稀釋和硼化,會增加硼的消耗,還會產生大量的待處理的硼溶液,使機組的廢物產量變多,增加了環境的負擔,同時眾多配套系統的運行,也增加了設備故障點和維修量,運行的成本也變高。

在美國西屋公司設計的第三代壓水堆AP1000的設計采用了一種新的堆芯控制策略——機械補償策略(Mechanical Shim,MSHIM),該策略利用允許插入的深度和獨立的軸向功率控制棒組(AO棒組,AxialOffset Rods)聯合作用,通過機械手段調節棒組可以自動地調節反應堆的功率和溫度,在一個換料周期內的大部分時間里按30%以上的額定功率進行負荷調整,功率調整不需要調整冷卻劑中的硼濃度進行化學補償。在標準的AP1000設計中,堆芯中共有69個控制棒束組件,包括53個黑棒組件RCCA(Rod Cluster Control Assemblies)和16個灰棒組件GRCA (Gray Rod Cluster Assemblies),兩種組件的外形尺寸和燃料棒是一樣的,組件的棒束都是由24根控制棒組成,只是在材料上有所區別。其中RCCA采用的都是銀-銦-鉻材料,反應性價值大,對中子的吸收能力強,主要用于停堆和溫度反應性變化控制等相對較快的反應性變化及軸向功率分布控制;而GRCA的反應性價值要小一點,對中子吸收能力較黑棒也較弱,在西屋第16版DCD采用的優化設計中,GRCA由12根不銹鋼棒和12根銀-銦-鉻棒組成,主要用于堆芯中的負荷跟蹤調節,提供反應性機械補償替代反應堆調節硼濃度的化學補償。在AP1000堆芯設計中,每一個燃料循環RCCA和GRCA在堆芯中的位置保持不變。

根據這69個控制棒束組件執行的功能,將其分為AO,M和SD三個控制棒組:用于調整堆芯軸向的功率分布的軸向偏移控制棒組(AO棒組,共9個控制棒束);用于補償因溫度、功率或者氙毒變化引起的反應性變化的冷卻劑溫度/反應性控制棒組(M棒組,共28個控制棒束,其中灰棒組MA,MB,MC, MD各4個,黑棒組M 1和M 2分別為4個和8個),以及停堆棒組(SD棒組,共32個控制棒束,其中SD1,SD2,SD3,SD4各8個),在正常運行期間停堆棒組完全提出。這些棒組在堆芯的布置位置見圖2。

圖2 控制棒組在堆芯中的布置

為了讓機械補償策略的設計能夠滿足AP1000設計的負荷跟蹤和功率調節能力的要求,AO棒組和M棒組設被計成兩個獨立的控制棒組。用于軸向功率分布控制的AO棒組獨立于其他的控制功能要求,并且要求AO棒組有足夠的控制棒價值,通過棒組提升或下插可以使軸向功率偏移單調地變大或變小。調節AO棒組在堆芯的插入深度,可以在整個功率運行范圍內保持軸向功率軸向偏移幾乎不變。為使AO棒組能有效控制軸向功率分布,要求AO棒組很小的移動有足夠的影響,AO棒組必須有較高的控制棒價值,因此使用了黑棒設計。AP1000設計采用的是常軸向偏移控制(CAOC,Constant Axial Offset Control)策略,在基本負荷運行時AO棒組將軸向偏移控制至預先設定的AO目標值。在負荷跟蹤前和負荷跟蹤過程中,AO值控制比基本負荷運行時的目標值更負約8%,這是為了滿足在正、負二個方向的軸向偏移的控制能力,保證功率峰因子不超過設計限值。

為了在循環壽期的大部分時間內,負荷跟蹤替代調硼并補償瞬態反應性效應,由MA,MB,MC, MD,M 1和M 2組成的M控制棒組在堆芯中成放射形的對稱布置,這樣棒的移動就不會引入非對稱的放射形的功率分布變化。在機械補償策略中,M控制棒組按預設的功率溫度控制程序進行冷卻劑溫度和反應性的控制,M棒組中各控制棒組間必須有適當的重疊,當它們在堆芯提升或插入時的反應性變化就像單組棒移動的一樣。在負荷跟蹤運行以前,M棒組的二個灰控制棒組將全插入堆芯(AO棒組稍微插入堆芯),M棒組的初始插入深度應當能夠補償功率調節過程中出現的正或負的反應性變化。對像18個月那樣的長燃料循環期運行,一般在循環期末會出現雙峰狀軸向功率分布,負荷跟蹤中控制棒的插入可使軸向偏移和功率峰因子產生顯著的變化,由于MSHIM系統對軸向偏移能夠維持非常好控制,消除了負荷跟蹤運行中的功率峰因子可能超過設計限值的擔心。對AP1000堆芯各種負荷跟蹤需求分析表明,在沒有調硼情況下MSH IM堆芯控制策略,在循環期的大部分時間內(85%～95%的循環期)能夠滿足負荷跟蹤的要求。

由于調節棒組允許插入的深度和獨立的軸向功率控制棒組(AO棒組)聯合作用,對功率進行調節, MSH IM策略允許在整個功率運行范圍和燃料循環的大多數時間內,通過機械補償進行反應堆功率水平和功率分布的控制,不需要調節冷卻劑中的硼濃度。硼濃度調節僅用于補償燃料燃耗和維持M棒組所要求的堆芯插入深度以及在反應堆的啟動和停堆的情況下。硼濃度的調節操作的減少,即減少了反應堆運行時的操作,降低了因設備或人因造成的非計劃停堆的可能性,也減少了生產過程中對硼的需求和對硼溶液的處理,從而減少了廢物的產量和對環境的排放,不但提高了機組的安全性和經濟性,還減輕了對環境的負擔,帶來一系列的好處。本文對機械補償策略做了簡要的介紹,相信隨著AP1000核電站設計的深入和建設運行,MSH IM會引起眾多關注它的人進行深入探討。